서론
전부도재관은 심미적 우수성으로 인해 치과영역에서 그 사용이 점차 증대되고 있다. 이는 전부도재관의 색조, 질감, 투명도가 자연치의 특성과 유사하기 때문으로, 고 도의 심미성이 요구되는 증례에 적합한 특성을 갖추고 있다. 또한 전부도재관은 특정 금속에 대한 환자의 과민 반응을 일으키지 않으며, 보철물의 장기간 사용으로 인 한 치은부 변색 등 다른 재료를 이용한 보철물에 비하여 우수한 생체적합성을 나타낸다.
그러나 심미적인 우수성과 높은 생체친화성에도 불구 하고, 구치부에서 전부도재를 이용한 고정성 국소의치 는 제한적으로 적용되고 있으며, 이는 전부도재 고정성 국소의치가 가지는 낮은 파절 저항성 때문으로 현재까 지 안정적인 임상적 성공률을 나타내지 못하고 있다.
현재 소구치부 및 대구치부의 전부도재 고정성 국소의 치로 사용되고 있는 도재들에는 lithium disilicate 및 glass-
alumina, zirconia가 있다. lithium disilicate와 glass alumina의
굴곡강도는 각각 350 ± 50 MPa, 450 MPa정도이며,zirconia는 약 750 - 1000 MPa의 강도를 나타내고 있다.
1-8 구 치에서 작용하는 저작력에 대해서는 많은 문헌에서 언 급하고 있는데, Craig9및 Kelly10등은 소구치 및 대구치에 서의 사람의 저작력은 390 - 890 MPa에 이른다고 보고하 고 있다. 그러므로 lithium disilicate 및 glass alumina 도재는 전치부와 소구치부 고정성 국소의치의 제작은 가능하다 고 할 수 있으나, 구치부 특히 대구치부에서 전부도재 고 정성 국소의치로 사용하기에 적합한 굴곡강도를 나타내 는 것은 zirconia 밖에 없다.일반적으로 결손부 치아를 도재관으로 수복하기 위해 서는 금속골격구조에 도재를 입히는 방법 (금속도재 고
금속선 강화에 따른 열 가압 도재의 파절저항
조득원1∙동진근2*∙오상천3∙김유리2
원광대학교 치과대학 보철학교실, 원광치의학 연구소, 1대학원생, 2교수, 3조교수
연구목적: 본 연구는 높은 심미성을 나타내지만 낮은 파절 강도로 인하여 구치부에서의 사용이 제한되고 있는 전부도재 고정성 국소의치의 파절강도를 증 가시키기 위한 방법으로, 취성 재료인 도재에 인장강도가 높은 금속선을 삽입하고 물리적, 기계적 성질을 알아보고자 하였다.
연구 재료 및 방법: lithium disilicate (ingot No.200 : IPS Empress 2, Ivoclar Vivadent, Lichtenstein)와 0.41 mm 직경의 Ni-Cr 금속선 (Alfa Aesar, Johnson Matthey Company, USA)을 사용하여, 금속선의 수와 배열을 달리한 4개의 실험군 시편을 제작하였다. 모든 시편은 폭 4 mm, 두께 2 mm, 길이 15 mm의 직육면체로 제 작하였다. 실험군 1, 2, 3은 각각 한 가닥, 두 가닥, 세 가닥의 금속선을 도재 시편의 장축을 따라 배열하였으며, 실험군 4는 세 가닥의 금속선을 도재 시편의 장 축에, 다섯 가닥의 금속선을 도재 시편의 횡축에 배열하였다. 대조군에는 금속선을 삽입하지 않았으며, 대조군 및 각각의 실험군의 시편은 각 군당 12개로 하 였다.
결과: 만능 시험기 (Z020, Zwick, Germany)를 이용하여 파절시점까지 하중을 가한 후, 굴곡계수, 굴곡강도, 파절시점까지의 변형률, 파괴인성을 측정하였다.
파절된 시편의 도재와 금속선의 계면을 횡절단 및 연마하여 주사전자현미경 (JSM-6360, JEOL, Japan)으로 100배상에서 관찰하였다. 결과는 다음과 같다.
1. 도재에 금속선을 삽입한 결과, 금속선을 삽입하지 않은 대조군에 비해 통계적 유의성 있는 굴곡계수 및 굴곡강도의 변화는 관찰할 수 없었으나, 변형률의 유의성 있는 증가 (P < .001)를 관찰할 수 있었다. 2. 금속선을 삽입한 시편의 파절 양상은 하중점 부위에서 도재만 파절되는 양상을 나타내었다. 3. 금속선을 삽입한 도재의 파절된 시편을 횡절단 및 종절단하여 100 배상에서 주사전자현미경으로 촬영한 결과, 하중 시 도재의 파절 원인이 될 수 있는 도재 내부의 기 포는 관찰되지 않았으며, 도재와 금속선 사이의 gap도 관찰되지 않았다.
결론: 금속선 삽입의 결과, 취성 재료인 도재의 통계적으로 유의성 있는 변형률의 증가를 관찰할 수 있었다. 그러나 구치부에서 금속선 강화 도재의 사용을 위해서는 굴곡계수 및 굴곡강도의 향상이 필요하다. 이를 위해서는 추가적 연구가 필요하다. (대한치과보철학회지 2009;47:191-8)
주요단어: 금속선 강화 세라믹, 3점 굽힘강도 실험, 파괴 인성
교신저자: 동동 진진 근근
570-749 전라북도 익산시 신용동 334-2 원광대학교 치과대학 보철과 063-857-4824: e-mail,[email protected] 원고접수일: 2008년 9월 18일 / 원고최종수정일: 2008년 12월 16일 / 원고채택일: 2009년 1월 7일
정성 국소의치)과 zirconia core에 도재를 입히는 방법
(zirconia 고정성 국소의치)이 있으나 금속도재 고정성 국
소의치는 내부의 금속이 투시되어 만족할만한 심미성을 얻기가 어렵고, 전부도재 고정성 국소의치로서 현재 가 장 높은 파절 저항성을 보이는 zirconia는 제작과정이 복 잡하고 변연적합도가 낮아 개선의 필요성이 제기되고있다.11-13최근에는 CAD-CAM의 적용으로 보다 정밀한
변연적합성을 가진 zirconia 고정성 국소의치가 개발되었 지만, 보철 후 제거의 어려움 및 zirconia core 사용으로 인 한 상대적 불투명도 등이 문제점으로 제기되고 있다.
동 등14에 의해 소개된 금속선 강화 도재는 도재에 금속 선을 위치시킴으로써 도재의 파절저항성의 향상을 도모 하고자 하였다. 이는 건축자재로서 철근콘크리트 구조 물에 착안한 것으로, 금속선은 철근콘크리트 구조물의 철근과 같이 도재의 부족한 인장강도를 보강하는 역할 을 하게 된다.
본 연구는 금속선 강화 도재 (wire reinforced ceramic)의 임상 활용 가능성을 알아보고자 Ni-Cr 금속선으로 강화 시킨 열 가압 도재 시편을 제작하고 그 강도를 알아보고 자 하였다.
연구 재료 및 방법 1. 연구 재료
도재는 열-가압 방식의 IPS-Empress 2 (ingot No. 200 :
Ivoclar Vivadent, Liechtenstein)
15-16를 이용하였다 (Table I).IPS Empress 2는 pressing temperature 920℃, 열팽창계수 10.6 ± 10
-6/℃의 물리적 성질을 가진다.
금속선은 Ni과 Cr의 무게비가 80 : 20 wt%인 0.41 mm 직 경의 Ni-Cr 금속선 (Alfa Aesar, Johnson Matthey Company,
USA)을 이용하였다.
2. 연구방법
1) 시편의 준비
길이 15 mm, 폭 4 mm, 두께 2 mm의 test bar 도재 시편을 만들기 위해 직육면체의 왁스 시편을 제작하였다 (Fig. 1).
대조군 및 실험군에서의 금속선의 배열 수 및 배열 위치 를 달리 하였으며, 각 설계에 따른 시편의 수는 12개로 하 였다 (Fig. 2).
금속선은 시편의 중립축 하부 인장측에 해당하는 바닥 측1/3부위에위치시켰으며, 종축에배열한금속선은1 mm, 횡축에 배열한 금속선은 2 mm의 간격을 유지하여 배열 하였다. 모든 금속선은 시편의 크기보다 길게 위치시켜 매몰 후 매몰재에 금속선이 매입되게 함으로써 도재 가 압에 따른 금속선의 변위가 발생하지 않도록 하였다.
시편의 매몰은 납형 간의 거리 3 mm이상, 매몰링과 납 형과의 거리는 10 mm, 왁스 주입선의 직경은 3 mm, 길이 는 10 mm가 되도록 하였고, 납형은 장축 방향으로 주입 선과 평행이 되도록 하였다.
매몰재의 혼합 방법은 IPS Empress 2 매몰재 액과 증류 수 그리고 매몰재 분말의 비율이 32 ml : 22 ml : 200 gf가
Fig. 1. Dimension of ceramic specimen.
Fig. 2. Illustration of wire arrangements in control group and experimental groups.
Table I. Components of the IPS Empress 2 ceramic
Components wt%
SiO2 57 - 80
Al2O3 0 - 5
La2O3 0.1 - 6
MgO 0 - 5
ZnO 0 - 8
K2O 0 - 13
Li2O 11 - 19
P2O5 0 - 11
Additional components 0 - 8
15 mm
4 mm 2 mm
control 1 wire 2 wires
3 wires 3×5 wires
되도록 정확한 양을 계측하여 진공 혼합법으로 60초간 혼합하고 매몰링 하단부터 매몰재를 채웠다. 매몰재가 완전히 경화된 후 매몰링 기저부와 매몰링을 제거하고 매몰체의 기저부를 다듬었다. 매몰체와 도재 ingot 그리 고 Alox plunger를 소환로에 넣고 실온에서부터 시작하여 분당 5℃씩 온도를 높여 250℃에서 30분간 계류시키고 다시 온도를 높여 850℃에서 90분간 계류시켰다. 열가압 소환로 (IPS Empress EP500 press furnace, Ivoclar Vivadent,
Liechtenstein)에서 staining technique을 위한 프로그램을 선
택하여 700℃까지 예열을 시행한 후 IPS Empress 2ceramic ingot과 Alox plunger를 매몰체에 넣고 열가압 소
환로 중앙에 위치시킨 후 가열 및 가압 과정을 시행하였 다.가압과정이 끝난 매몰체를 furnace 내에서 꺼내 실온까 지 식힌 후, 50 μ
m의 glass bead (Shofu Co, Japan)를 이용하
여 펜 블라스터로 매몰재를 제거하였다. 불균일한 표면 으로 인해 생길 수 있는 강도의 감소 가능성을 배제하기 위하여caborundum disc로 sprue 제거 후, porcelain polishingrubber point 및 rubber wheel (Shofu Co, Japan)로 표면을 연
마하고, polishing media (Diamond polishing paste, Bredent,German)를 이용하여 polishing을 마무리하였다. 그 후, 제
조사의 지시에 따라 staining 및 glazing을 통하여 추가적 인 열처리 과정 (800℃)을 시행하였다.17-182) 하중 실험
만능 하중 시험기 (Z020, Zwick, Germany)를 이용하여 3 점 굽힘 강도를 측정하였다. 각 시편의 두께 및 폭을 버 니어 캘리퍼스로 측정하여 입력하고, crosshead speed는
1 mm/min, intersupporting distance는 10 mm로 하여 시편에
파절이 발생할 때까지 하중을 가하였다 (Fig. 3). 각 시편 에서의 굴곡계수, 굴곡강도, 파절 시점까지의 변형률, 파 괴 인성을 측정하였다.3) 금속선과 도재 계면의 관찰
유사한 파절 양상을 보인 파절된 시편 중 굴곡강도가 가장 낮게 나타난 시편 2개를 횡절단 및 종절단하여 연마 시편을 제작하였다 횡절단 및 연마한 시편에 platinum
coating을 시행한 후 주사전자현미경 (JSM-6360, JEOL, Japan)촬영을 시행하였다. 파절의 원인부가 될 수 있는 도
재 내부의 기포 및 crack, 도재와 금속선 사이의 gap의 존 재유무를 확인하기 위하여 100 배상에서 관찰하였다.4) 통계 처리
통계처리는 굴곡계수, 굴곡강도, 변형률, 파괴인성에 대한 1개의 대조군과 4개의 실험군의 평균의 차이를 조 사하기 위해 일원배치 분산분석 (One-way ANOVA)을 시 행하였다. 사후검정은 Duncan test를 이용하였으며, 신뢰 도는 P = .05로 하였다. 프로그램은 SPSS WIN 12.0을 이 용하였다.
결과
1. 굴곡계수
굴곡계수 값은 대조군에 비해 1 wire군과 3 × 5 wires군 이 통계적으로 유의성 있게 낮은 굴곡계수 값을 나타내 었다 (P < .01, Table II). 모든 실험군은 금속선이 삽입되지 않은 대조군보다 평균적으로 낮은 굴곡계수를 나타냈다
(Table II).
2. 굴곡강도
굴곡강도에 대한 1개의 대조군과 4개의 실험군 간의 차이를 알아본 결과, 대조군과 금속선을 삽입한 실험 군 사이에 유의성 있는 강도의 차이는 관찰되지 않았 다 (P >.05, Table II).
Fig. 3. Three-point bending test.
3. 파절 시점까지 변형률
파절 시점까지의 변형률에 대해 살펴본 결과, wire의 배열에 따라 변형률에 차이가 있는 것으로 나타났다 (P <
.001). 구체적으로 대조군은 다른 실험군들에 비해 변형
률이 가장 낮았고, 3 × 5 wires군은 3 wires군과는 통계적 인 유의차는 없었지만 다른 실험군과 비교해 높은 변형 률을 보였다 (Table II).4. 파괴 인성
파괴 인성에 대한 1개의 대조군과 4개의 실험군의 차 이에 대해 살펴본 결과, 통계적 유의차가 없었다 (P > .05,
Table II).
5. 파절 양상
금속선을 삽입하지 않은 대조군은 모든 시편에서 하중 점 부위에서 시편을 가로지르는 취성 파괴 양상을 보였 다. 실험군의 모든 시편은 파절강도에 이르러 하중점 부 위에서부터 반대측 면까지 이어지는 crack양상을 나타내 었으며, 취성 파절은 관찰되지 않았다 (Fig. 4).
6. 금속선과 도재의 결합계면
금속선이 삽입된 도재 시편에서 파절된 시편 중 가장 낮은 굴속계수를 나타낸 시편 2개를 각각 횡절단 및 종절 단 후 연마하여 100 배상에서 SEM 촬영한 결과, 하중 시 도재의 파절 원인이 될 수 있는 도재 내부의 기포는 관찰 할 수 없었다. 또한 도재와 금속선 사이의 틈의 존재 역시
관찰할 수 없었다 (Fig. 5).
고찰
동14은 건축에 사용하는 철근콘크리트 (reinforced
concrete)에 착안하여 금속선 강화 도재 (wire reinforced ceramic)를 고안하였다. 활용 분야는 다르지만 구강 내에
서 저작력에 저항하는 치과용 고정성 국소의치는 건축 재로서 압축 하중과 인장 응력을 항시 받는 철근콘크리 트와 구조적으로 동일한 기능을 수행하고 있다.하중이 가해지면 구조물은 휨에 의하여 압축응력과 인 장응력을 받게 되며, 이 때 중립축 상부는 압축력, 하부는 인장력을 받게 된다 (Fig. 6). 만일 휨 부재가 철근이 없는 콘크리트라면, 중립축 상부는 외력에 저항한다 하더라 도 중립축 하부의 인장측은 균열이 발생하면서 파괴에 이른다. 이렇게 되는 이유는 콘크리트 재료가 압축력에 는 강하지만 인장력에는 약하기 때문이다. 이러한 콘크 리트 보의 인장측에 철근을 넣어 인장 저항 능력을 향상 시킨 부재를 철근콘크리트 부재라 부르고 이 재료를 철 근콘크리트라고 한다. 여기서 중립축의 의미는 응력이 압축에서 인장으로 또는 인장에서 압축으로 바뀌는 부 분이기 때문에 압축도 인장도 아니라는 뜻이며, 따라서 중립축에서는 응력과 변형이“0”이 된다.
강19및 Fishcer20의 연구에서, 3-unit 고정성 국소의치를 컴퓨터상에서 삼차원 유한요소모델로 제작한 후 하중점 을 달리하여 실험한 결과, 최대주응력은 연결부 하부에
Fig. 4. Fracture patterns of wireless ceramic (a) & wire inserted ceramics (b). The dotted line shows crack line.
Fig. 5. Scanning Electron Microscopy (× 100) of cross-sectioned (left) and longitudinally-sectioned (right) specimen.
(a) (b)
Wire
Ceramic
Table II. Average and standard deviation of flexural modulus, flexural strength, strain and fracture toughness
Group Flexural modulus (GPa) Flexural strength (MPa) Strain (%) Fracture toughness (Nmm)
Control 24.3 (3.2)b 207.9 (38.6) 4.2 (1.5)a 11.7 (3.1)
1 wire 19.3 (2.0)a 158.3 (58.5) 6.3 (0.6)b 10.7 (3.8)
2 wires 23.0 (3.0)ab 183.9 (25.5) 6.2 (0.5)b 10.7 (1.9)
3 wires 21.1 (4.3)ab 202.8 (71.7) 6.9 (0.7)bc 14.1 (6.4)
3 × 5 wires 19.7 (4.7)a 180.5 (32.2) 7.3 (1.4)c 13.3 (2.7)
There is no significant statistical difference between materials with the same superscript number (Duncan test).
서 다른 부위보다 매우 높게 나타났다. 이러한 결과는 위 의 철근을 넣지 않은 콘크리트 부재에서와 유사한 결과 라고 할 수 있겠다.
도재관 파절의 원인에 대하여 Kelly 등21은 내면의 특정 부위에 인장응력이 과도하게 집중되거나 제작과정의 오 류로 인하여 도재관 내면에 결함부위가 발생되어 일어 나는 것으로 분석하였으며, Anusavice 등22은 도재관의 기 공이 있는 곳이나 결함 부위에 응력이 집중된다고 하였 다. 또한 Fairhurst23
, Green
24, Marx
25은 도재의 파절은 임계 치 이상의 힘에서 발생하기도 하지만, 저작시의 반복적 인 파절 임계치 이하의 하중에 의하거나 구강 내 부식 환 경에 노출된 기공과정상의 작은 결함에 의해 형성된crack이 성장하여 도재의 파절을 야기하게 된다고 하였
다. 근래에는 성공적인 전부 도재관의 파절 저항성을 높 이기 위해서는 기공과정에서의 결함을 최소로 하여 응 력의 집중을 줄이고 올바른 치아형성과 강도 높은 도재 의 선택 및 적절한 합착재의 선택과 사용이 필요하다고 알려져 있다.전부도재관의 낮은 파절 저항성으로 인한 문제는 도재 코어 (ceramic core) 및 고강도의 도재 개발 등으로 단일치 아 수복재로서 그 사용의 범위가 많이 극복되었다.26그러 나 현재의 전부도재 시스템으로 기존의 금속 구조물을 포함한 전부도재 고정성 국소의치를 대체하기에는 여전 히 낮은 파절 저항성이 문제시 되고 있다.
동14등이 고안한 금속선 강화 도재 (wire reinforced
ceramic)는 얇은 금속선을 도재 내부에 삽입함으로써 도
재의 결점인 인장강도를 개선하여 파절저항성을 향상시 키기 위해 고안한 것이다. 즉 가느다란 금속선을 이용하 여 골격구조를 만들고 그 위에 도재를 소결시키거나 lost-wax technique를 이용하여 고정성 국소의치를 제작할 수
있도록 설계하였다.금속선은 도재와의 긴밀한 결합, 도재와 유사한 열팽 창계수, 도재보다 높은 용융온도, 구강 환경에서의 화학 적 안정성 등의 조건을 충족시켜야 한다.
김 등27은 IPS-Empress ceramics에 백금 (Pt) 및 티타늄
(Ti)을 삽입하여 이들의 결합 및 금속선의 변화 양상을 관
찰한 바 있다. 관찰 결과, heat-pressed ceramic system인 IPS-Empress 도재 시스템의 가압 과정에서의 금속선의 풀림
및 잘림 현상이 관찰되었다고 보고하였다. Schweitzer 등28 은 치과용 Ni-Cr합금에 대한 IPS-Empress ceramic과 상용 되고 있는 feldspathic porcelain의 결합 강도에 관한 연구에 서 두 도재와 합금의 결합 강도 간에 유의한 차이가 없다 고 보고한 바 있다. Ni-Cr은 기존의 금속 도재관에 사용되 는 치과용 합금으로 융점 1445 ± 1℃, 비점 약 3075℃, 비 중 8.8, 열팽창계수 12×10-6/℃, 인장강도 140.0 kgf/mm
2의 물리적, 기계적 성질을 가진다. 본 연구에서는 이러한 사 실에 근거하여 현재까지 금속도재관 및 고정성 국소의 치에서 안정적으로 사용되고 있는 Ni-Cr 금속선을 선택 하였다. Ni-Cr은 도재와 긴밀하게 결합하고 IPS Empress 2 의 가압 온도보다 높은 용융점을 가지고 있다. 그 결과 이 전의 김 등27이 보고한 것과 같은 금속선의 잘림 및 풀림 현상의 발생 없이 안정적으로 금속선을 도재 시편 내에 삽입시킬 수 있었다.도재의 파절저항성 향상을 위해서는 도재의 굴곡계수 및 굴곡강도의 향상이 이루어져야 한다. 그러나 도재의 파절저항성 강화를 위하여 금속선을 삽입한 실험군과 금속선을 삽입하지 않은 대조군은 굴곡계수 및 굴곡강 도에서 통계적으로 유의한 차이를 보여주지 못하였다.
이러한 결과에 대한 추정원인은 다음과 같다.
첫 번째 추정 원인은 금속선이 시편 내에서 긴장 상태 를 유지하지 못하고 느슨한 채로 배열됨으로써 도재 시 편 내에서의 잔류응력 유도의 실패를 생각할 수 있다. 그 러므로 왁스시편에 금속선 배열시 금속선에 인장력을 가하여 유지된 채로 도재가 제작되었다면, 파절 저항성 의 증가가 있었을 것으로 생각한다.
두 번째 가능성으로서, 열응력에 의한 금속선의 인장 강도의 감소를 생각할 수 있다. 치과용 도재는 소결 과정 에서 열을 가하여야 하며, IPS Empress 2 system은 pressing 온도가 920℃에 이르며, glazing 시의 온도는 800℃이다.
그러나 소환, pressing, glazing 시에 비귀금속인 Ni-Cr 선에 반복적으로 가해진 고온의 열은 Ni-Cr 선의 인장강도의 감소를 일으켰을 가능성이 있다.
세 번째 가능성은 이종재료 간의 결합의 실패이다. 금 속선과 도재, 두 이종 재료의 결합은 크게 두 가지 요인에 의해서 얻게 된다. 첫째는 화학적 요인으로 금속이 산화 막을 형성해 도재 산화물과 이온 확산에 의해 강한 결합 을 이룰 수 있다. 둘째는 물리적 요인으로 도재의 금속에 대한 젖음성과 금속의 표면 거칠기가 결합에 중요한 역 Fig. 6. Stress patterns at three point bending test.
할을 한다. 금속과 도재 계면결합의 부족은 하중 시에 금 속선과 세라믹 계면에서 slip 현상이 발생하면서 강도의 저하로 이어졌을 것으로 생각한다.
실험 결과에 나타난 것과 같이, 금속선을 삽입한 도재 에서 굴곡계수 및 굴곡강도는 통계적으로 유의한 차이 를 보여주지는 못하였으나, 취성 재료인 도재의 변형률 에서 유의성 있는 증가를 나타내었다 (P < .001). 이는 금 속선이 가지는 연성 파괴 양상이 금속선을 삽입한 도재 의 파절 양상에 영향을 미친 것으로 보이며, 이러한 변형 율의 증가는 파괴 인성의 증가로 나타났다.
본래 본 연구의 목적은 취성 재료인 도재에 인장력이 강한 금속선을 삽입하여 도재의 파절 저항성을 향상시 키는 것이었다. 그러나 실제 연구 결과에서는 파절 저항 성과 관계있는 굴곡계수와 굴곡강도의 증가를 얻지 못 하였다. 이러한 결과에 대해서는 앞서의 여러 원인들에 의한 고려가 부족하였기 때문으로 생각한다.
금속선 강화 도재의 실용화를 위해서는 고온의 도재 소성 및 가압 과정에서 금속선이 긴장이 유지된 채로 일 직선으로 배열될 수 있도록 금속선 배열에 대한 방법적 연구가 필요할 것으로 보인다. 또한 금속선과 도재 시편 의 결합력 향상을 위한 표면 처리 및 열에 의한 금속선의 성질 변화에 대한 면밀한 분석을 통하여, 금속선을 삽입 한 도재에서의 굴곡계수 및 굴곡강도의 향상을 위한 연 구가 필요할 것으로 보인다.
결론
본 연구는 도재의 파절 저항성 강화를 위한 목적으로 고안한 금속선 강화 도재 (wire reinforced ceramic)의 3점 굽힘강도 실험을 통하여 금속선 삽입에 의한 도재 시편 의 물성 변화 및 파절 양상과 이종재료인 금속선과 도재 의 계면부에서의 결합 양상을 관찰하고자 하였다.
1. 도재에 금속선을 삽입한 결과, 금속선을 삽입하지
않은 대조군에 대해 통계적 유의성 있는 굴곡계수 및 굴곡강도의 변화는 관찰할 수 없었으나, 변형률 의 유의성 있는 증가 (P < .001)를 관찰할 수 있었다.2. 금속선을 삽입한 실험군 도재 시편의 파절 양상은
하중점 부위에서의 발생하는 crack양상을 나타내었 다.3. 금속선을 삽입한 도재의 파절된 시편을 횡절단 및
종절단하여 100 배상에서 주사전자현미경으로 촬영 한 결과, 하중 시 도재의 파절 원인이 될 수 있는 도재 내부의 기포는 관찰되지 않았으며, 도재와 금속선 사이의 gap의 존재 역시 관찰되지 않았다.금속선 삽입의 결과, 취성 재료인 도재의 통계적 유의 성 있는 변형률의 증가를 관찰할 수 있었다. 그러나 구치 부에서 금속선 강화 도재의 사용을 위해서는 굴곡계수 및 굴곡강도의 향상이 필요하다. 이를 위해서는 도재 내 부에 금속선 삽입 시, 금속선을 긴장이 유지된 상태로 배 열하기 위한 추가적 연구가 필요하다.
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The fracture resistance of heat pressed ceramics with wire reinforcement
Deuk-Won Jo1, DDS, MSD, Jin-Keun Dong2*, DDS, MSD, PhD Sang-Chun Oh3, DDS, MSD, PhD, Yu-Lee Kim2, DDS, MSD, PhD
1Graduate Student, 2Professor, 3Assistant Professor
Department of Prosthodontics, College of Dentistry, Wonkwang University
Statement of problem: Ceramics have been important materials for the restoration of teeth. The demands of patients for tooth-colored restorations and the availability of various dental ceramics has driven the increased use of new types of dental ceramic materials. Improved physical properties of theses materials have expanded its use even in posterior crowns and fixed partial dentures. However, ceramic still has limitation such as low loading capability. This is critical for long-span bridge, because bridge is more subject to ten- sile force. Purpose: The wire reinforced ceramic was designed to increase the fracture resistance of ceramic restoration. The purpose of this study was to evaluate the fracture resistance of wire reinforced ceramic. Material and methods: Heat pressed ceramic (ingot No.200 : IPS Empress 2, Ivoclar Vivadent, Liechtenstein) and Ni-Cr wire (Alfa Aesar, Johnson Matthey Company, USA) of 0.41 mm diameter were used in this study. Five groups of twelve uniform sized ceramic specimens (width 4 mm, thickness 2 mm, length 15 mm) were fabricated. Each group had different wire arrangement. Wireless ceramic was used as control group. The experimental groups were divided according to wire number and position. One, two and three strands of wires were positioned on the longitudinal axis of specimen. In another experimental group, three strands of wires posi- tioned on the longitudinal axis and five strands of wires positioned on the transverse axis. Three-point bending test was done with universal testing machine (Z020, Zwick, Germany) to compare the flexural modulus, flexural strength, strain at fracture and fracture toughness of each group. Fractured ceramic specimens were cross-sectioned with caborundum disc and grinded with sandpaper to observe interface between ceramic and Ni-Cr wire. The interface between ceramic and Ni-Cr wire was analyzed with scanning electron microscope (JSM-6360, JEOL, Japan) under platinum coating. Results: The results obtained were as follows: 1. The average and standard deviation in flexural modulus, flexural strength and fracture toughness showed no statistical differences between control and experimental groups. However, strain was significantly increased in wire inserted ceramics (P < .001). 2. Control group showed wedge fracture aspects across specimen, while experimental groups showed cracks across specimen. 3. Scanning electron micro- scopic image of cross-sectioned and longitudinally-sectioned specimens showed no gap at the interface between ceramic and Ni-Cr wire. Conclusion: The results of this study showed that wire inserted ceramics have a high strain characteristic. However, wire inserted ceramics was not enough to use at posterior area of mouth in relation to flexural mod- ulus and flexural strength. Therefore, we need further studies.
Key words: wire reinforced ceramic, three-point bending test, fracture toughness
Corresponding Author: Jin-Keun Dong
Department of prosthodontics, College of Dentistry, Wonkwang University 334-2, Sinyong-dong, Iksan, Jeonbuk, 570-749, Korea +82-63-857-4824: e-mail, [email protected]
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Revised September 18, 2008 / Last Revision December 16, 2008 / Accepted January 7, 2009
